[数据库锁机制] 深入理解乐观锁、悲观锁以及CAS乐观锁的实现机制原理分析

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前言:

  • 在并发访问情况表下,可能性会经常出现脏读、不可重复读和幻读等读大问题,为了应对哪几个大问题,主流数据库都提供了锁机制,并引入了事务隔离级别的概念。数据库管理系统(DBMS)中的并发控制的任务是确保在多个事务同時 存取数据库中同一数据时不破坏事务的隔离性和统一性以及数据库的统一性。
  • 乐观并发控制(乐观锁)和悲观并发控制(悲观锁)是并发控制主要采用的技术手段。无论是悲观锁还是乐观锁,还会 大伙儿儿定义出来的概念,可不可不里能认为是三种思想。人太好不仅仅是关系型数据库系统所含乐观锁和悲观锁的概念,像memcache、hibernate、tair等还会 之类的概念。
  • 本文中也将深入分析一下乐观锁的实现机制,介绍哪几个是CAS、CAS的应用以及CAS发生的大问题等。

并发控制

在计算机科学,特别是应用程序设计、操作系统、多除理机和数据库等领域,并发控制(Concurrency control)是确保及时纠正由并发操作因为的错误的三种机制。

数据库管理系统(DBMS)中的并发控制的任务是确保在多个事务同時 存取数据库中同一数据时不破坏事务的隔离性和统一性以及数据库的统一性。下面举例说明并发操作带来的数据不一致性大问题:

现有两处火车票售票点,同時 读取某一趟列车车票数据库中车票余额为 X。两处售票点同時 卖出一张车票,同時 修改余额为 X -1写回数据库,也不就造成了实际卖出两张火车票而数据库中的记录却只少了一张。 产生之类情况表的因为是可能性有有一另另另另一个事务读入同一数据并同時 修改,其所含有一另另另另一个事务提交的结果破坏了也不事务提交的结果,因为其数据的修改被丢失,破坏了事务的隔离性。并发控制要除理的也不之类大问题。

封锁、时间戳、乐观并发控制(乐观锁)和悲观并发控制(悲观锁)是并发控制主要采用的技术手段。

一、数据库的锁

当并发事务同時 访问有有一另另另另一个资源时,有可能性因为数据不一致,之类时需三种机制来将数据访问顺序化,以保证数据库数据的一致性。锁也不其中的三种机制。

在计算机科学中,锁是在执行多应用程序时用于强行限制资源访问的同步机制,即用于在并发控制中保证对互斥要求的满足。

锁的分类(oracle)

一、按操作划分,可分为DML锁DDL锁

二、按锁的粒度划分,可分为表级锁行级锁页级锁(mysql)

三、按锁级别划分,可分为共享锁排他锁

四、按加锁方式 划分,可分为自动锁显示锁

五、按使用方式 划分,可分为乐观锁悲观锁

DML锁(data locks,数据锁),用于保护数据的删剪性,其中包括行级锁(Row Locks (TX锁))、表级锁(table lock(TM锁))。

DDL锁(dictionary locks,数据字典锁),用于保护数据库对象的价值形式,如表、索引等的价值形式定义。其中包排他DDL锁(Exclusive DDL lock)、共享DDL锁(Share DDL lock)、可中断解析锁(Breakable parse locks)

1.1 锁机制

常用的锁机制有三种:

1、悲观锁:假定会发生并发冲突,屏蔽一切可能性违反数据删剪性的操作。悲观锁的实现,往往依靠底层提供的锁机制;悲观锁会因为其它所有时需锁的应用程序挂起,停留持有锁的应用程序释放锁。

2、乐观锁:假设不需要发生并发冲突,每次不加锁也不假设没法 冲突而去完成某项操作,只在提交操作时检查否有违反数据删剪性。可能性可能性冲突失败就重试,直到成功为止。乐观锁大多是基于数据版本记录机制实现。为数据增加有有一另另另另一个版本标识,比如在基于数据库表的版本除理方案中,一般是通过为数据库表增加有有一另另另另一个 “version” 字段来实现。读取出数据时,将此版本号同時 读出,然后 更新时,对此版本号加一。此时,将提交数据的版本数据与数据库表对应记录的当前版本信息进行比对,可能性提交的数据版本号大于数据库表当前版本号,则予以更新,之类认为是过期数据。 

乐观锁的缺点是没法除理累积脏读的大问题,之类ABA大问题(下面会讲到)。

在实际生产环境上方,可能性并发量不大且不允许脏读,可不可不里能使用悲观锁除理并发大问题;但可能性系统的并发非常大的话,悲观锁定会带来非常大的性能大问题,不要 大伙儿儿就要确定乐观锁定的方式 。

二、悲观锁与乐观锁详解

2.1 悲观锁

在关系数据库管理系统里,悲观并发控制(叫青 “悲观锁”,Pessimistic Concurrency Control,缩写“PCC”)是三种并发控制的方式 。它可不可不里能阻止有有一另另另另一个事务以影响之类用户的方式 来修改数据。可能性有有一另另另另一个事务执行的操作都某行数据应用了锁,那没法当之之类务把锁释放,之之类务才可不可不里能执行与该锁冲突的操作。

悲观并发控制主要用于数据争用激烈的环境,以及发生并发冲突时使用锁保护数据的成本要低于回滚事务的成本的环境中。

悲观锁,正如其名,它指的是对数据被外界(包括本系统当前的之之类务,以及来自內部系统的事务除理)修改持保守态度(悲观),之类,在整个数据除理过程中,将数据发生锁定情况表。 悲观锁的实现,往往依靠数据库提供的锁机制 (也没法数据库层提供的锁机制可不可不里能真正保证数据访问的排他性,之类,即使在本系统中实现了加锁机制,也无法保证內部系统不需要修改数据)

在数据库中,悲观锁的流程如下:

在对任意记录进行修改前,先尝试为该记录打上去排他锁(exclusive locking)。

可能性加锁失败,说明该记录正在被修改,没法 当前查询可能性要停留可能性抛出异常。 具体响应方式 由开发者根据实际时需决定。

可能性成功加锁,没法 就可不可不里能对记录做修改,事务完成后就会解锁了。

其间可能性有之类对该记录做修改或加排他锁的操作,还会 停留大伙儿儿解锁或直接抛出异常。

MySQL InnoDB中使用悲观锁:

要使用悲观锁,大伙儿儿时需关闭mysql数据库的自动提交属性,可能性MySQL默认使用autocommit模式,也也不说,当你执行有有一另另另另一个更新操作后,MySQL会立刻将结果进行提交。set autocommit=0;

//0.现在现在开始事务
begin;/begin work;/start transaction; (三者选一就可不可不里能)
//1.查询出商品信息
select status from t_goods where id=1 for update;
//2.根据商品信息生成订单
insert into t_orders (id,goods_id) values (null,1);
//3.修改商品status为2
update t_goods set status=2;
//4.提交事务
commit;/commit work;

上方的查询的话中,大伙儿儿使用了select…for update的方式 ,也不就通过开启排他锁的方式 实现了悲观锁。此时在t_goods表中,id为1的 那条数据就被大伙儿儿锁定了,其它的事务时需等本次事务提交然后 可不可不里能执行。也不大伙儿儿可不可不里能保证当前的数据不需要被其它事务修改。

上方大伙儿儿提到,使用select…for update会把数据给锁住,不过大伙儿儿时需注意之类锁的级别,MySQL InnoDB默认行级锁。行级锁还会 基于索引的,可能性第三根SQL的话用没法索引是不需要使用行级锁的,会使用表级锁把整张表锁住,这点时需注意。

优点与不足

悲观并发控制实际上是“先取锁再访问”的保守策略,为数据除理的安全提供了保证。之类在时延单位方面,除理加锁的机制会让数据库产生额外的开销,还有增加产生死锁的可能性;另外,在只读型事务除理中可能性不需要产生冲突,也没必要使用锁,也不做没法增加系统负载;还有会降低了并行性,有有一另另另另一个事务可能性锁定了某行数据,之之类务就时需停留该事务除理完才可不可不里能除理那行数

2.2 乐观锁

在关系数据库管理系统里,乐观并发控制(叫青 “乐观锁”,Optimistic Concurrency Control,缩写“OCC”)是三种并发控制的方式 。它假设多用户并发的事务在除理时不需要彼此互相影响,各事务可不可不里能在不产生锁的情况表下除理每每个人影响的那累积数据。在提交数据更新然后 ,每个事务会先检查在该事务读取数据后,有没法 之之类务又修改了该数据。可能性之之类务有更新的话,正在提交的事务会进行回滚。乐观事务控制最早是由孔祥重(H.T.Kung)教授提出。

乐观锁( Optimistic Locking ) 相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下不需要造成冲突,不要 在数据进行提交更新的然后 ,才会正式对数据的冲突否有进行检测,可能性发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么去做。

相对于悲观锁,在对数据库进行除理的然后 ,乐观锁不要 会使用数据库提供的锁机制。一般的实现乐观锁的方式 也不记录数据版本。

数据版本,为数据增加的有有一另另另另一个版本标识。当读取数据时,将版本标识的值同時 读出,数据每更新一次,同時 对版本标识进行更新。当大伙儿儿提交更新的然后 ,判断数据库表对应记录的当前版本信息与第一次取出来的版本标识进行比对,可能性数据库表当前版本号与第一次取出来的版本标识值相等,则予以更新,之类认为是过期数据。

实现数据版本有三种方式 ,第三种是使用版本号,第二种是使用时间戳。

使用版本号实现乐观锁

使用版本号时,可不可不里能在数据初始化时指定有有一另另另另一个版本号,每次对数据的更新操作都对版本号执行+1操作。并判断当前版本号是还会 该数据的最新的版本号。

1.查询出商品信息
select (status,status,version) from t_goods where id=#{id}
2.根据商品信息生成订单
3.修改商品status为2
update t_goods 
set status=2,version=version+1
where id=#{id} and version=#{version};

优点与不足

乐观并发控制相信事务之间的数据竞争(data race)的概率是比较小的,之类尽可能性直接做下去,直到提交的然后 才去锁定,不要 不需要产生任何锁和死锁。但可能性直接简单没法 做,还是有可能性会遇到不可预期的结果,之类有有一另另另另一个事务都读取了数据库的某一行,经过修改然后 写回数据库,这时就遇到了大问题。

三、CAS详解

在说CAS然后 ,大伙儿儿不得不提一下Java的应用程序安全大问题。

应用程序安全:

众所周知,Java是多应用程序的。之类,Java对多应用程序的支持人太好是一把双刃剑。一旦涉及到多个应用程序操作共享资源的情况表时,除理不好就可能性产生应用程序安全大问题。应用程序安全性可能性是非常多样化的,在没法 丰厚的同步的情况表下,多个应用程序中的操作执行顺序是不可预测的。

Java上方进行多应用程序通信的主要方式 也不共享内存的方式 ,共享内存主要的关注点有有有一另另另另一个:可见性和有序性。打上去复合操作的原子性,大伙儿儿可不可不里能认为Java的应用程序安全性大问题主要关注点有另一个:可见性、有序性和原子性。

Java内存模型(JMM)除理了可见性和有序性的大问题,而锁除理了原子性的大问题。这里不再删剪介绍JMM及锁的之类相关知识。之类大伙儿儿要讨论有有一另另另另一个大问题,那也不锁到底是还会 有利无弊的?

3.1 锁发生的大问题

Java在JDK1.5然后 还会 靠synchronized关键字保证同步的,之类通过使用一致的锁定协议来协调对共享情况表的访问,可不可不里能确保无论哪个应用程序持有共享变量的锁,都采用独占的方式 来访问哪几个变量。独占锁人太好也不三种悲观锁,不要 可不可不里能说synchronized是悲观锁。

悲观锁机制发生以下大问题:

1) 在多应用程序竞争下,加锁、释放锁会因为比较多的上下文切换和调度延时,引起性能大问题。

2) 有有一另另另另一个应用程序持有锁会因为其它所有时需此锁的应用程序挂起。

3) 可能性有有一另另另另一个优先级高的应用程序停留有有一另另另另一个优先级低的应用程序释放锁会因为优先级倒置,引起性能风险。

而也不更加有效的锁也不乐观锁。所谓乐观锁也不,每次不加锁也不假设没法 冲突而去完成某项操作,可能性可能性冲突失败就重试,直到成功为止。

与锁相比,volatile变量是有有一另另另另一个更轻量级的同步机制,可能性在使用哪几个变量时不需要发生上下文切换和应用程序调度等操作,之类volatile没法除理原子性大问题,之类当有有一另另另另一个变量依赖旧值时就没法使用volatile变量。之类对于同步最终还是要回到锁机制上来。

乐观锁

乐观锁( Optimistic Locking)人太好是三种思想。相对悲观锁而言,乐观锁假设认为数据一般情况表下不需要造成冲突,不要 在数据进行提交更新的然后 ,才会正式对数据的冲突否有进行检测,可能性发现冲突了,则让返回用户错误的信息,让用户决定怎么去做。

上方提到的乐观锁的概念中人太好可能性阐述了他的具体实现细节:

主要也不有有一另另另另一个步骤:冲突检测数据更新

人太好现方式 有三种比较典型的也不Compare and Swap(CAS)。

3.2 CAS

CAS是项乐观锁技术,当多个应用程序尝试使用CAS同時 更新同有有一另另另另一个变量时,没法其所含有一另另另另一个应用程序能更新变量的值,而其它应用程序都失败,失败的应用程序不要 会被挂起,也不被告知这次竞争中失败,并可不可不里能再次尝试。

CAS 操作包所含有一另另另另一个操作数 —— 内存位置(V)、预期原值(A)和新值(B)。可能性内存位置的值与预期原值相匹配,没法 除理器会自动将该位置值更新为新值。之类,除理器不做任何操作。无论哪种情况表,它还会 在 CAS 指令然后 返回该位置的值。(在 CAS 的之类特殊情况表下将仅返回 CAS 否有成功,而不提取当前值。)CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该所含值 A;可能性所含该值,则将 B 装进去 之类位置;之类,不要 更改该位置,只问你之类位置现在的值即可。”之类太好和乐观锁的冲突检查+数据更新的原理是一样的。

这里再强调一下,乐观锁是三种思想。CAS是之类思想的三种实现方式 。

3.3 Java对CAS的支持

JDK 5然后 Java语言是靠synchronized关键字保证同步的,这是三种独占锁,也是是悲观锁。j在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)也不建立在CAS之上的。相对于对于synchronized之类阻塞算法,CAS是非阻塞算法的三种常见实现。不要 J.U.C在性能上有了很大的提升。

现代的CPU提供了特殊的指令,允许算法执行读-修改-写操作,而不需要害怕之类应用程序同時 修改变量,可能性可能性之类应用程序修改变量,没法 CAS会检测它(并失败),算法可不可不里能对该操作重新计算。而 compareAndSet() 就用哪几个代替了锁定。

大伙儿儿以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例,看一下在没法 锁的情况表下是怎么保证应用程序安全的。主要理解getAndIncrement方式 ,该方式 的作用离米  ++i 操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    
    private volatile int value;
    
    public final int get() {
        return value;
    }
    
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
    
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

字段value时需借助volatile原语,保证应用程序间的数据是可见的(共享的)。也不在获取变量的值的然后 可不可不里能直接读取。之类来看看++i是为什么我么我会么会做到的。getAndIncrement采用了CAS操作,每次从内存中读取数据之类将此数据和+1后的结果进行CAS操作,可能性成功就返回结果,之类重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 }

整体的过程也不也不子的,利用CPU的CAS指令,同時 借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作还会 利用之类的价值形式完成的。

而整个J.U.C还会 建立在CAS之上的,之类对于synchronized阻塞算法,J.U.C在性能上有了很大的提升。

3.4 CAS会因为“ABA大问题”:

ABA大问题:

aba实际上是乐观锁无法除理脏数据读取的三种体现。CAS算法实现有有一另另另另一个重要前提时需取出内存中某时刻的数据,而在下时刻比较并替换,没法 在之类时间差类会因为数据的变化。

比如说有有一另另另另一个应用程序one从内存位置V中取出A,这然后 也不应用程序two也从内存中取出A,之类two进行了之类操作变成了B,之类two又将V位置的数据变成A,这然后 应用程序one进行CAS操作发现内存中仍然是A,之类one操作成功。尽管应用程序one的CAS操作成功,之类不代表之类过程也不没法 大问题的。

累积乐观锁的实现是通过版本号(version)的方式 来除理ABA大问题,乐观锁每次在执行数据的修改操作时,还会 带上有有一另另另另一个版本号,一旦版本号和数据的版本号一致就可不可不里能执行修改操作并对版本号执行+1操作,之类就执行失败。可能性每次操作的版本号还会 随之增加,不要 不需要经常出现ABA大问题,可能性版本号只会增加不需要减少。

 可能性链表的头在变化了两次后恢复了原值,之类不代表链表就没法 变化。之类AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。

AtomicMarkableReference 类描述的有有一另另另另一个<Object,Boolean>的对,可不可不里能原子的修改Object可能性Boolean的值,之类数据价值形式在之类缓存可能性情况表描述中比较有用。之类价值形式在单个可能性同時 修改Object/Boolean的然后 可不可不里能有效的提高吞吐量。 



AtomicStampedReference 类维护所含整数“标志”的对象引用,可不可不里能用原子方式 对其进行更新。对比AtomicMarkableReference 类的<Object,Boolean>,AtomicStampedReference 维护的是三种之类<Object,int>的数据价值形式,人太好也不对对象(引用)的有有一另另另另一个并发计数(标记版本戳stamp)。之类与AtomicInteger 不同的是,此数据价值形式可不可不里能携所含有一另另另另一个对象引用(Object),之类可不可不里能对此对象和计数同時 进行原子操作。

REFERENCE:

派发自以下博客:

1.  http://www.hollischuang.com/archives/934

2.  http://www.hollischuang.com/archives/1537

3.  http://www.cnblogs.com/Mainz/p/3546347.html

4.  http://www.digpage.com/lock.html

5.  https://chenzhou123520.iteye.com/blog/1863407

6.  https://chenzhou123520.iteye.com/blog/18100954